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News der FH Dortmund

Bachelorarbeit Maschinenbau

Harmonie der Brennstoffzellen

Veröffentlicht

Felix Smyrek hat einen Brennstoffzellenantrieb für LKW untersucht.

Wie die Komponenten eines Doppel-Brennstoffzellenantriebs eines LKW so aufeinander abgestimmt werden müssen, damit sie möglichst sparsam und trotzdem leistungsfähig arbeiten, hat der Recklinghäuser Felix Smyrek in seiner Bachelorarbeit an der FH Dortmund untersucht. Sein Ergebnis unterstreicht die Sinnhaftigkeit von Brennstoffzellenantrieben in LKW.

Mehrere LKW-Hersteller verwenden Antriebe aus zwei Brennstoffzellensystemen (BZS) und einer Batterie. Das bietet Vorteile, wie zum Beispiel eine höhere Lebensdauer, wenn die BZS bei geringem Leistungsbedarf, etwa im Stadtverkehr, abwechselnd eingesetzt werden.

Bei höherem Leistungsbedarf liegt der Gedanke nahe, die Leistung gleichmäßig auf beide BZS zu verteilen, damit beide möglichst wenig beansprucht werden. 
Ob das auch wirklich stimmt, untersuchte Felix Smyrek in zwei Schritten an dem computersimulierten Modell eines LKW eines asiatischen Herstellers in Kooperation mit dem Zentrum für Brennstoffzellentechnik (ZBT) in Duisburg. Seine Arbeit wurde bei der Akademischen Jahresfeier Ende 2023 als beste Bachelorarbeit des Fachbereichs ausgezeichnet.

Der statische Betrieb

Der Recklinghäuser betrachtete im ersten Schritt ein Szenario mit gleichbleibendem Leistungsbedarf, zum Beispiel bei einer Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit auf einer flachen Straße. Macht es dabei einen Unterschied, wenn die BZS unterschiedlich hohe Leistungen abgeben? „Die Effizienzkurve eines Brennstoffzellensystems ist recht einfach darzustellen“, sagt Felix Smyrek. Sie steigt erst steil an, erreicht ihr Maximum („Peak“) und fällt dann deutlich flacher wieder ab.

Smyreks Versuchsreihe ergab: Auch wenn ein einzelnes BZS die geforderte Leistung ohne Weiteres liefern kann, ist die Effizienz am höchsten, wenn jedes BZS möglichst nah am Peak betrieben wird.
Daraus folgt die Erkenntnis: Bei Leistungsanforderungen unterhalb des Peaks ist es effizienter, nur eine Zelle zu betreiben. Liegt die Anforderung darüber, wie im Beispielfall, sollten beide BZS zu gleichen Teilen ran.

Der dynamische Betrieb

Beim dynamischen Betrieb, der eine reale Autofahrt mit Anfahren, Beschleunigen, Bremsen und so weiter abbildet, kommt zusätzlich die Batterie ins Spiel. Sie dient dazu, in bestimmten Situationen zu puffern, also bei Leistungsspitzen mitzuhelfen. Felix Smyrek untersuchte nun, wann genau ihr Einsatz am effizientesten ist.

Der Fahrzeugentwicklung-Student fand heraus: Immer dann, wenn es schnelle Leistungswechsel gibt, ist es ratsam, so viel wie möglich mit der Batterie zu puffern. Aus zwei Gründen. Erstens, steigen die Verluste eines BZS bei Lastwechseln, wie es sie bei schnellen Leistungsspitzen gibt, und damit verliert man Energie.

Zweitens, etwas komplizierter: Beim Bremsen wird die Bremsenergie rekuperiert, das heißt, in die Batterie zurückgespeist. Das geht aber nur, wenn die Batterie in diesem Moment nicht schon voll ist. Deswegen ist es sinnvoll, die Batterie während der Fahrt immer wieder zu beanspruchen, um ihre vollständige Aufladung zu vermeiden.

Wertvolle Daten

Weil sich die Brennstoffzellen-Antriebssysteme der LKW-Hersteller in vielen Punkten unterscheiden und die Hersteller auch keine Einzelheiten zu Dingen wie Wirkungsgrad und genaue Abstimmung von BZS und Batterie herausgeben, lässt sich Felix Smyreks Ergebnis nicht ohne Weiteres auf andere LKW übertragen. Dennoch birgt sie Grundlagenwissen darüber, wie das Zusammenspiel zwischen zwei Brennstoffzellen und einer Batterie möglichst effizient gesteuert werden kann, und damit ist sie ein weiterer Schritt auf dem Weg hin zum optimalen Nutzen des Antriebssystems.

Von der angefallenen Menge an Daten profitiert auch das ZBT. Die Kooperation mit dem Duisburger Institut habe seine Arbeit erst ermöglicht, sagt Felix Smyrek. „Daher freut es mich umso mehr, dass ich dem Team am ZBT einen kleinen Benefit geben konnte und sie die Erkenntnisse für weitere Projekte nutzen können.“

Prof. Dr. Markus Thoben und Prof. Dr. Sönke Gößling betreuten die Bachelorarbeit. 

Warum überhaupt Brennstoffzellen? Sind rein batteriebetriebene Fahrzeuge nicht sowieso effizienter?

Batterie-elektrische Fahrzeuge besitzen insgesamt einen höheren Wirkungsgrad als Brennstoffzellen-Fahrzeuge. Das bedeutet, von der ihnen zugeführten Energie – ihrer Ladung – wandeln sie einen höheren Anteil in Antriebsenergie um, nämlich bis zu 80 Prozent, in Ausnahmefällen auch mehr. Zum Vergleich: Ein Brennstoffzellenantrieb liegt bei bis zu 60 Prozent, Verbrennungsmotoren bei maximal 45 Prozent.

Der Nachteil einer Batterie liegt in ihrem Gewicht. Je höher die Reichweite eines Fahrzeugs sein soll, desto größer und schwerer muss die Batterie sein, um ausreichend Energie bereitzuhalten. Für LKW, die viele hundert Kilometer am Stück zurücklegen, würde die Batterie so groß und schwer sein, dass ihr Betrieb unrentabel würde. Darüber hinaus wären dafür Ladestationen mit Ladeleistungen von einem Megawatt notwendig – sieben Mal so viel wie das, was ein elektrischer PKW benötigt.  

Da kommt der Brennstoffzellenantrieb ins Spiel. Denn dessen Kraftstoff – Wasserstoff – lässt sich nicht nur platzsparender und leichter transportieren, sondern auch viel schneller betanken. Das bedeutet, bei hohen Reichweiten ist der Brennstoffzellenantrieb trotz geringerem Wirkungsgrad unterm Strich effizienter.